Two-B or not two-B? Design patterns for hybrid metaheuristics

Real world search problems, characterised by nonlinearity, noise and multidimensionality, are often best solved by hybrid algorithms. Techniques embodying different necessary features are triggered at specific iterations, in response to the current state of the problem space. In the existing literature, this alternation is managed either statically (through pre-programmed policies) or dynamically, at the cost of high coupling with algorithm inner representation. We extract two design patterns for hybrid metaheuristic search algorithms, the All-Seeing Eye and the Commentator patterns, which we argue should be replaced by the more flexible and loosely coupled Simple Black Box (Two-B) and Utility-based Black Box (Three-B) patterns that we propose here. We recommend the Two-B pattern for purely fitness based hybridisations and the Three-B pattern for more generic search quality evaluation based hybridisations.

A green perspective on Structured parallel programming

Structured parallel programming, and in particular programming models using the algorithmic skeleton or parallel design pattern concepts, are increasingly considered to be the only viable means of supporting effective development of scalable and efficient parallel programs. Structured parallel programming models have been assessed in a number of works in the context of performance. In this paper we consider how the use of structured parallel programming models allows knowledge of the parallel patterns present to be harnessed to address both performance and energy consumption. We consider different features of structured parallel programming that may be leveraged to impact the performance/energy trade-off and we discuss a preliminary set of experiments validating our claims.

O impacto da utilização de design patterns nas métricas e estimativas de projetos de software: a utilização de padrões tem alguma influência nas estimativas?

VALENTIM, R. A. M. ; SOUZA NETO, Plácido Antônio de. O impacto da utilização de design patterns nas métricas e estimativas de projetos de software: a utilização de padrões tem alguma influência nas estimativas?. Revista da FARN, Natal, v. 4, p. 63-74, 2006

Exploring design patterns for sustainable behaviour

Products and services explicitly intended to influence users’ behaviour are increasingly being proposed to reduce environmental impact and for other areas of social benefit. Designing such interventions often involves adopting and adapting principles from other contexts where behaviour change has been studied. The ‘design pattern’ form, used in software engineering and HCI, and originally developed in architecture, offers benefits for this transposition process. This article introduces the Design with Intent toolkit, an idea generation method using a design pattern form to help designers address sustainable behaviour problems. The article also reports on exploratory workshops in which participants used the toolkit to generate concepts for redesigning everyday products—kettles, curtains, printers and bathroom sinks/taps—to reduce the environmental impact of use. The concepts are discussed, along with observations of how the toolkit was used by participants, suggesting usability improvements to incorporate in future versions.

O impacto da utilização de design patterns nas métricas e estimativas de projetos de software: a utilização de padrões tem alguma influência nas estimativas?

VALENTIM, R. A. M. ; SOUZA NETO, Plácido Antônio de. O impacto da utilização de design patterns nas métricas e estimativas de projetos de software: a utilização de padrões tem alguma influência nas estimativas?. Revista da FARN, Natal, v. 4, p. 63-74, 2006

Empirical ontology design patterns

Knowledge graphs (KGs) and ontologies have been widely adopted for modelling numerous domains. However, understanding the content of an ontology/KG is far from straightforward: existing methods partially address this issue. This thesis is based on the assumption that identifying the Ontology Design Patterns (ODPs) in an ontology or a KG contributes to address this problem. Most times, the reused ODPs are not explicitly annotated, or their reuse is unintentional. Therefore, there is a challenge to automatically identify ODPs in existing ontologies and KGs, which is the main focus of this research work. This thesis analyses the role of ODPs in ontology engineering, through experiences in actual ontology projects, placing this analysis in the context of existing ontology reuse approaches. Moreover, this thesis introduces a novel method for extracting empirical ODPs (EODPs) from ontologies, and a novel method for extracting EODPs from knowledge graphs, whose schemas are implicit. The first method groups the extracted EODPs in clusters: conceptual components. Each conceptual component represents a modelling problem, e.g. representing collections. As EODPs are fragments possibly extracted from different ontologies, some of them will fall in the same cluster, meaning that they are implemented solutions to the same modelling problem. EODPs and conceptual components enable the empirical observation and comparison of modelling solutions to common modelling problems in different ontologies. The second method extracts EODPs from a KG as sets of probabilistic axioms/constraints involving the ontological entities instantiated. These EODPs may support KG inspection and comparison, providing insights on how certain entities are described in a KG. An additional contribution of this thesis is an ontology for annotating ODPs in ontologies and KGs.

A User-Centric Perspective on Parallel Programming with Focus on OpenMP

The process of developing software that takes advantage of multiple processors is commonly referred to as parallel programming. For various reasons, this process is much harder than the sequential case. For decades, parallel programming has been a problem for a small niche only: engineers working on parallelizing mostly numerical applications in High Performance Computing. This has changed with the advent of multi-core processors in mainstream computer architectures. Parallel programming in our days becomes a problem for a much larger group of developers. The main objective of this thesis was to find ways to make parallel programming easier for them. Different aims were identified in order to reach the objective: research the state of the art of parallel programming today, improve the education of software developers about the topic, and provide programmers with powerful abstractions to make their work easier. To reach these aims, several key steps were taken. To start with, a survey was conducted among parallel programmers to find out about the state of the art. More than 250 people participated, yielding results about the parallel programming systems and languages in use, as well as about common problems with these systems. Furthermore, a study was conducted in university classes on parallel programming. It resulted in a list of frequently made mistakes that were analyzed and used to create a programmers' checklist to avoid them in the future. For programmers' education, an online resource was setup to collect experiences and knowledge in the field of parallel programming - called the Parawiki. Another key step in this direction was the creation of the Thinking Parallel weblog, where more than 50.000 readers to date have read essays on the topic. For the third aim (powerful abstractions), it was decided to concentrate on one parallel programming system: OpenMP. Its ease of use and high level of abstraction were the most important reasons for this decision. Two different research directions were pursued. The first one resulted in a parallel library called AthenaMP. It contains so-called generic components, derived from design patterns for parallel programming. These include functionality to enhance the locks provided by OpenMP, to perform operations on large amounts of data (data-parallel programming), and to enable the implementation of irregular algorithms using task pools. AthenaMP itself serves a triple role: the components are well-documented and can be used directly in programs, it enables developers to study the source code and learn from it, and it is possible for compiler writers to use it as a testing ground for their OpenMP compilers. The second research direction was targeted at changing the OpenMP specification to make the system more powerful. The main contributions here were a proposal to enable thread-cancellation and a proposal to avoid busy waiting. Both were implemented in a research compiler, shown to be useful in example applications, and proposed to the OpenMP Language Committee.

Design and implementation of a floating point unit for rigel, a massively parallel accelerator

Scientific applications rely heavily on floating point data types. Floating point operations are complex and require complicated hardware that is both area and power intensive. The emergence of massively parallel architectures like Rigel creates new challenges and poses new questions with respect to floating point support. The massively parallel aspect of Rigel places great emphasis on area efficient, low power designs. At the same time, Rigel is a general purpose accelerator and must provide high performance for a wide class of applications. This thesis presents an analysis of various floating point unit (FPU) components with respect to Rigel, and attempts to present a candidate design of an FPU that balances performance, area, and power and is suitable for massively parallel architectures like Rigel.

Using objects and patterns to implement domain ontologies

Ontologies are becoming an important mechanism to build information systems. Nevertheless, there is still no systematic approach to support the design of such systems using tools that are common to information systems developers. In this paper, we propose an approach for deriving object frameworks from domain ontologies and then we show the application of this approach in the software process domain.

Engineering Temporal and Spatial Aspects in OWL using Patterns

WWW is a huge, open, heterogeneous system, however its contents data is mainly human oriented. The Semantic Web needs to assure that data is readable and “understandable” to intelligent software agents, though the use of explicit and formal semantics. Ontologies constitute a privileged artifact for capturing the semantic of the WWW data. Temporal and spatial dimensions are transversal to the generality of knowledge domains and therefore are fundamental for the reasoning process of software agents. Representing temporal/spatial evolution of concepts and their relations in OWL (W3C standard for ontologies) it is not straightforward. Although proposed several strategies to tackle this problem but there is still no formal and standard approach. This work main goal consists of development of methods/tools to support the engineering of temporal and spatial aspects in intelligent systems through the use of OWL ontologies. An existing method for ontology engineering, Fonte was used as framework for the development of this work. As main contributions of this work Fonte was re-engineered in order to: i) support the spatial dimension; ii) work with OWL Ontologies; iii) and support the application of Ontology Design Patterns. Finally, the capabilities of the proposed approach were demonstrated by engineering time and space in a demo ontology about football.

A new optimised De Bruijn coding strategy for structured light patterns

Coded structured light is an optical technique based on active stereovision that obtains the shape of objects. One shot techniques are based on projecting a unique light pattern with an LCD projector so that grabbing an image with a camera, a large number of correspondences can be obtained. Then, a 3D reconstruction of the illuminated object can be recovered by means of triangulation. The most used strategy to encode one-shot patterns is based on De Bruijn sequences. In This work a new way to design patterns using this type of sequences is presented. The new coding strategy minimises the number of required colours and maximises both the resolution and the accuracy

Patterns and quality of object-oriented software systems

Lors de ces dix dernières années, le coût de la maintenance des systèmes orientés objets s'est accru jusqu' à compter pour plus de 70% du coût total des systèmes. Cette situation est due à plusieurs facteurs, parmi lesquels les plus importants sont: l'imprécision des spécifications des utilisateurs, l'environnement d'exécution changeant rapidement et la mauvaise qualité interne des systèmes. Parmi tous ces facteurs, le seul sur lequel nous ayons un réel contrôle est la qualité interne des systèmes. De nombreux modèles de qualité ont été proposés dans la littérature pour contribuer à contrôler la qualité. Cependant, la plupart de ces modèles utilisent des métriques de classes (nombre de méthodes d'une classe par exemple) ou des métriques de relations entre classes (couplage entre deux classes par exemple) pour mesurer les attributs internes des systèmes. Pourtant, la qualité des systèmes par objets ne dépend pas uniquement de la structure de leurs classes et que mesurent les métriques, mais aussi de la façon dont celles-ci sont organisées, c'est-à-dire de leur conception, qui se manifeste généralement à travers les patrons de conception et les anti-patrons. Dans cette thèse nous proposons la méthode DEQUALITE, qui permet de construire systématiquement des modèles de qualité prenant en compte non seulement les attributs internes des systèmes (grâce aux métriques), mais aussi leur conception (grâce aux patrons de conception et anti-patrons). Cette méthode utilise une approche par apprentissage basée sur les réseaux bayésiens et s'appuie sur les résultats d'une série d'expériences portant sur l'évaluation de l'impact des patrons de conception et des anti-patrons sur la qualité des systèmes. Ces expériences réalisées sur 9 grands systèmes libres orientés objet nous permettent de formuler les conclusions suivantes: • Contre l'intuition, les patrons de conception n'améliorent pas toujours la qualité des systèmes; les implantations très couplées de patrons de conception par exemple affectent la structure des classes et ont un impact négatif sur leur propension aux changements et aux fautes. • Les classes participantes dans des anti-atrons sont beaucoup plus susceptibles de changer et d'être impliquées dans des corrections de fautes que les autres classes d'un système. • Un pourcentage non négligeable de classes sont impliquées simultanément dans des patrons de conception et dans des anti-patrons. Les patrons de conception ont un effet positif en ce sens qu'ils atténuent les anti-patrons. Nous appliquons et validons notre méthode sur trois systèmes libres orientés objet afin de démontrer l'apport de la conception des systèmes dans l'évaluation de la qualité.

Impacts and Detection of Design Smells

Les changements sont faits de façon continue dans le code source des logiciels pour prendre en compte les besoins des clients et corriger les fautes. Les changements continus peuvent conduire aux défauts de code et de conception. Les défauts de conception sont des mauvaises solutions à des problèmes récurrents de conception ou d’implémentation, généralement dans le développement orienté objet. Au cours des activités de compréhension et de changement et en raison du temps d’accès au marché, du manque de compréhension, et de leur expérience, les développeurs ne peuvent pas toujours suivre les normes de conception et les techniques de codage comme les patrons de conception. Par conséquent, ils introduisent des défauts de conception dans leurs systèmes. Dans la littérature, plusieurs auteurs ont fait valoir que les défauts de conception rendent les systèmes orientés objet plus difficile à comprendre, plus sujets aux fautes, et plus difficiles à changer que les systèmes sans les défauts de conception. Pourtant, seulement quelques-uns de ces auteurs ont fait une étude empirique sur l’impact des défauts de conception sur la compréhension et aucun d’entre eux n’a étudié l’impact des défauts de conception sur l’effort des développeurs pour corriger les fautes. Dans cette thèse, nous proposons trois principales contributions. La première contribution est une étude empirique pour apporter des preuves de l’impact des défauts de conception sur la compréhension et le changement. Nous concevons et effectuons deux expériences avec 59 sujets, afin d’évaluer l’impact de la composition de deux occurrences de Blob ou deux occurrences de spaghetti code sur la performance des développeurs effectuant des tâches de compréhension et de changement. Nous mesurons la performance des développeurs en utilisant: (1) l’indice de charge de travail de la NASA pour leurs efforts, (2) le temps qu’ils ont passé dans l’accomplissement de leurs tâches, et (3) les pourcentages de bonnes réponses. Les résultats des deux expériences ont montré que deux occurrences de Blob ou de spaghetti code sont un obstacle significatif pour la performance des développeurs lors de tâches de compréhension et de changement. Les résultats obtenus justifient les recherches antérieures sur la spécification et la détection des défauts de conception. Les équipes de développement de logiciels doivent mettre en garde les développeurs contre le nombre élevé d’occurrences de défauts de conception et recommander des refactorisations à chaque étape du processus de développement pour supprimer ces défauts de conception quand c’est possible. Dans la deuxième contribution, nous étudions la relation entre les défauts de conception et les fautes. Nous étudions l’impact de la présence des défauts de conception sur l’effort nécessaire pour corriger les fautes. Nous mesurons l’effort pour corriger les fautes à l’aide de trois indicateurs: (1) la durée de la période de correction, (2) le nombre de champs et méthodes touchés par la correction des fautes et (3) l’entropie des corrections de fautes dans le code-source. Nous menons une étude empirique avec 12 défauts de conception détectés dans 54 versions de quatre systèmes: ArgoUML, Eclipse, Mylyn, et Rhino. Nos résultats ont montré que la durée de la période de correction est plus longue pour les fautes impliquant des classes avec des défauts de conception. En outre, la correction des fautes dans les classes avec des défauts de conception fait changer plus de fichiers, plus les champs et des méthodes. Nous avons également observé que, après la correction d’une faute, le nombre d’occurrences de défauts de conception dans les classes impliquées dans la correction de la faute diminue. Comprendre l’impact des défauts de conception sur l’effort des développeurs pour corriger les fautes est important afin d’aider les équipes de développement pour mieux évaluer et prévoir l’impact de leurs décisions de conception et donc canaliser leurs efforts pour améliorer la qualité de leurs systèmes. Les équipes de développement doivent contrôler et supprimer les défauts de conception de leurs systèmes car ils sont susceptibles d’augmenter les efforts de changement. La troisième contribution concerne la détection des défauts de conception. Pendant les activités de maintenance, il est important de disposer d’un outil capable de détecter les défauts de conception de façon incrémentale et itérative. Ce processus de détection incrémentale et itérative pourrait réduire les coûts, les efforts et les ressources en permettant aux praticiens d’identifier et de prendre en compte les occurrences de défauts de conception comme ils les trouvent lors de la compréhension et des changements. Les chercheurs ont proposé des approches pour détecter les occurrences de défauts de conception, mais ces approches ont actuellement quatre limites: (1) elles nécessitent une connaissance approfondie des défauts de conception, (2) elles ont une précision et un rappel limités, (3) elles ne sont pas itératives et incrémentales et (4) elles ne peuvent pas être appliquées sur des sous-ensembles de systèmes. Pour surmonter ces limitations, nous introduisons SMURF, une nouvelle approche pour détecter les défauts de conception, basé sur une technique d’apprentissage automatique — machines à vecteur de support — et prenant en compte les retours des praticiens. Grâce à une étude empirique portant sur trois systèmes et quatre défauts de conception, nous avons montré que la précision et le rappel de SMURF sont supérieurs à ceux de DETEX et BDTEX lors de la détection des occurrences de défauts de conception. Nous avons également montré que SMURF peut être appliqué à la fois dans les configurations intra-système et inter-système. Enfin, nous avons montré que la précision et le rappel de SMURF sont améliorés quand on prend en compte les retours des praticiens.

A new optimised De Bruijn coding strategy for structured light patterns

Coded structured light is an optical technique based on active stereovision that obtains the shape of objects. One shot techniques are based on projecting a unique light pattern with an LCD projector so that grabbing an image with a camera, a large number of correspondences can be obtained. Then, a 3D reconstruction of the illuminated object can be recovered by means of triangulation. The most used strategy to encode one-shot patterns is based on De Bruijn sequences. In This work a new way to design patterns using this type of sequences is presented. The new coding strategy minimises the number of required colours and maximises both the resolution and the accuracy

Software Design Guidelines for Usability

For years, the Human Computer Interaction (HCI) community has crafted usability guidelines that clearly define what characteristics a software system should have in order to be easy to use. However, in the Software Engineering (SE) community keep falling short of successfully incorporating these recommendations into software projects. From a SE perspective, the process of incorporating usability features into software is not always straightforward, as a large number of these features have heavy implications in the underlying software architecture. For example, successfully including an “undo” feature in an application requires the design and implementation of many complex interrelated data structures and functionalities. Our work is focused upon providing developers with a set of software design patterns to assist them in the process of designing more usable software. This would contribute to the proper inclusion of specific usability features with high impact on the software design. Preliminary validation data show that usage of the guidelines also has positive effects on development time and overall software design quality.